基于聚類分析的烏梁素海水質因子研究

岳程鵬 李興

摘要：為揭示烏梁素海水質因子相互作用關系和水體環(huán)境狀況，更好地改善水質，采用2017年烏梁素海水質因子監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于復相關系數(shù)R型聚類分析法對水質因子進行聚類分析，參考《地表水環(huán)境質量標準》（ GB 3838-2002）對烏梁素海水質進行分類，分析了影響烏梁素海水質的主要因素，提出了改善水質的意見。結果表明：烏梁素海水質因子分為4類，水溫、透明度、溶解氧、總氮、總磷、葉綠素a反映湖水的富營養(yǎng)化程度，pH值反映湖水的堿度，電導率、鹽度反映湖水含鹽量，COD反映湖水的有機污染物含量;氮磷比揭示出磷是烏梁素海藻類生長和富營養(yǎng)化的限制性因素。

關鍵詞：復相關系數(shù);聚類分析;水質因子;烏梁素海

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000-1379.2019.05.015

烏梁素海位于內(nèi)蒙古烏拉特前旗，為我國第八大淡水湖，是全球荒漠半荒漠地區(qū)極為少見的大型寒旱區(qū)湖泊[1]。烏梁素海是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)生活污水、農(nóng)田灌溉排水、退水及工業(yè)廢水的承泄場所，是污染物的儲存地，對于緩解黃河下游污染、保持水土、改善流域環(huán)境都有極其重要的作用[2]。但是，近年來隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，烏梁素海的環(huán)境受到破壞，湖泊的富營養(yǎng)化問題突出，成為內(nèi)蒙古湖泊水質最為惡化、富營養(yǎng)化最為嚴重的草一藻型湖泊。因此對烏梁素海水質問題的研究十分必要，有利于改善水質環(huán)境，維持生態(tài)平衡。

國外學者評價水質所用的方法有多元統(tǒng)計分析和重金屬污染指數(shù)法[3]、水質指標和線性回歸模型（多變量線性回歸、分段線性回歸）[4]、貝葉斯模型等[5]。國內(nèi)學者對烏梁素海水質問題的研究集中在水質因子評價方面，運用的研究方法有主成分分析[6]、卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[7]、灰色聚類分析[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡評價[1]、灰色模式識別模型[2]等。目前，國內(nèi)外學者對水質因子的相關性研究僅基于單相關系數(shù)分析，基于復相關系數(shù)R型聚類分析法的研究鮮見報道。水環(huán)境是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，受到許多水質因子相互作用的綜合影響，基于復相關系數(shù)R型聚類分析法可以使眾多復雜的水質因子按照相似關系聚合成若干類，進而找出影響水生態(tài)系統(tǒng)的主要因素。

本研究于2017年對烏梁素海水質因子進行監(jiān)測，依據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》（ GB 3838-2002），參考文獻[6-7]研究烏梁素海所采用的水質指標，選取10項水質因子，采用復相關系數(shù)R型聚類分析法對烏梁素海的水質因子進行聚類分析，將復相關系數(shù)引入到聚類分析中，研究水質因子之間的相互作用，以期為解決烏梁素海生態(tài)環(huán)境問題提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品采集

2017年4-11月中旬，在烏梁素海人湖口、湖心、出湖口等設置12個采樣點（采樣點分布情況見圖1），采樣點采用GPS定位，每個采樣點監(jiān)測水溫、透明度（SD）、電導率、pH值、溶解氧（DO）、鹽度、總氮（TN）、總磷（TP）、COD、葉綠素a（Chl.a）。將所采集的樣品裝入聚乙烯瓶中，密封保存，運回實驗室進行測試分析，共得到95組數(shù)據(jù)（剔除4月的一組異常數(shù)據(jù)）。

1.2 分析方法

總氮的測定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷的測定采用鉬銻抗分光光度法，葉綠素a的測定采用分光光度計法，透明度采用自制賽式盤測定，水溫、pH值、溶解氧、COD、鹽度、電導率由法國PONSEL多參數(shù)水質分析儀現(xiàn)場監(jiān)測獲得。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics（ SPSS 22）對烏梁素海的水質因子進行Pearson相關分析、計算復相關系數(shù)以及進行F值檢驗（即將相關系數(shù)轉化成方差分析值F，并將轉化后的F值運用F-檢驗法進行檢驗）。

1.4 復相關系數(shù)R型聚類分析法

1.4.1 復相關系數(shù)R型聚類分析原理

R型聚類分析的基本思想是在變量之間定義相似系數(shù)，相似系數(shù)代表變量之間的相似程度，按照相似程度對變量逐一歸類。關系緊密的類劃歸到一個小的分類單位，逐漸擴大，直到所有樣品聚類結束，形成一個表示親疏關系的結構。R型聚類分析的作用是使相互混合復雜的變量聚合成若干個有代表性意義的類，以更加清晰明了地找出影響系統(tǒng)的主要因素。

復相關系數(shù)R型聚類分析求新變量Y（由單個變量X_a和X_b合成）與各個舊變量X_i的相關性時，可由合成新變量的單個變量X_a和X_b與各個舊變量X_i的復相關系數(shù)表示。由于復相關系數(shù)反映的是多個變量與某個變量之間的復相關程度，因此采用F檢驗法對復相關系數(shù)進行顯著性檢驗，如果新變量y和某個舊變量X_i的相關性顯著，則把新變量Y與舊變量X_i聚在一起合成一個新變量。復相關系數(shù)R型聚類分析法把復相關系數(shù)引入到聚類分析中，可以使聚類結果更加精確，提高R型聚類分析法的科學性、合理性。

1.4.2 復相關系數(shù)R型聚類分析步驟

2 結果與討論

2.1 烏梁素海水質因子復相關系數(shù)R型聚類結果

將烏梁素海12個采樣點的10項水質因子指標記為X1（水溫）、X2（透明度）、X3（電導率）、X4（pH值）、X5（溶解氧）、X6（鹽度）、X7（總氮）、X8（總磷）、X9（COD）、X10。（葉綠素a），求這10項指標之間的相關系數(shù)矩陣，再將相關系數(shù)矩陣轉化為F值矩陣，見表1。

由表1可知，X3、X6之間相關性檢驗的F值最大，即F3.6= 29.020，顯著性a=0.05， F3，6 >F0.05（1，95 -1 -1）=3.941.因此可將X3、X6合并。將合并后的X3、X6記為新的指標Y1（ X3，X6），求新指標y與舊指標之間的復相關系數(shù)，并將復相關系數(shù)矩陣轉化為F值矩陣，見表2。

由表2可知，Xl、X7之間相關性檢驗的F值最大，即F1.7=21.279.顯著性a=0.05，F(xiàn)1.7>Fo.os（1，95 -1-1）=3. 941，因此可將X1、X7合并。將合并后的X1、X7記為新的指標Y2（ X1，X7），求新指標l，與舊指標之間的復相關系數(shù)，并將復相關系數(shù)矩陣轉化為F值矩陣。由此計算公式，同理依次可得新指標Y3（ X1，X5，X7）、Y4（X1， X5， X7， X8）、Y5（ X1，X5， X7，X8， X10）、Y6（X1，X2，X5，X7，X8，X10），求新指標Y6與剩余舊指標之間的復相關系數(shù)，再將復相關系數(shù)矩陣轉化為F值矩陣，見表3。

由表3可知，最大的F值為F（ 3.6），9=3.025，但Fc3.6），9

2.2 烏梁素海水質類別

按照《地表水環(huán)境質量標準》（ GB 3838-2002），計算得出烏梁素海總氮、總磷、溶解氧、COD等5種水質指標的2017年年均值，分別為2. 70、0.23、8.62、6.05、85.00 mg/L，pH值年均值為8.62，水質類別分別為V類、V類、V類、Ⅱ類、V類。由此可知，2017年烏梁素海水質較差，屬于V類，只適用于農(nóng)業(yè)用水及一般景觀用水。李興等[9]研究烏梁素海2006-2008年人湖水質超標風險率，結果表明總氮、總磷、BOD5、COD均已大比例超出V類水標準。由此可知總氮、總磷對烏梁素海水質影響較大。

2.3 烏梁素海水質影響因素分析

烏梁素海水質因子復相關系數(shù)R型聚類分析表明，影響烏梁素海生態(tài)系統(tǒng)的相互混合復雜的水質因子有4類，即富營養(yǎng)化因子、堿度因子、鹽性因子、有機污染因子。李興[10]研究結果表明，烏梁素海湖區(qū)水體受富營養(yǎng)化污染、有機物污染、鹽化污染十分嚴重，說明烏梁素海水質因子分類結果是科學合理的。富營養(yǎng)化因子中的總氮、總磷對烏梁素海水質影響較大，總氮、總磷是反映水體富營養(yǎng)化的重要指標。作為河套灌區(qū)生活污水的承泄地，烏梁素海接納的大量生活污水是總氮的主要來源：城鎮(zhèn)生活污水及農(nóng)田殘留的大量磷及其化合物通過排干渠進入湖泊，是烏梁素海磷元素的主要來源[11]。氮、磷是藻類生長必需的營養(yǎng)物質，是反映水體藻類生長狀況的重要指標[12]，湖泊氮、磷濃度較高，浮游生物生長迅速，浮游生物的初級生產(chǎn)力較高，進而影響到湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

N和P以16：1的原子數(shù)比被浮游植物在光合作用中吸收[13]，有研究認為，淡水環(huán)境中，氮磷比大于7，磷是限制性營養(yǎng)鹽[14]。烏梁素海監(jiān)測點氮磷比的平均值為12.39，說明磷是烏梁素海藻類生長和富營養(yǎng)化的限制性因素，這與李培培等[14-15]的研究結果一致。

2.4 討論

2.4.1 烏梁素海水質改善方法

（1）外源治理。工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)退水、城鎮(zhèn)生活污水是烏梁素海氮、磷等營養(yǎng)物質最重要的外部來源，對排人烏梁素海的城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田退水加以控制，進而減少磷的排放，可以在很大程度上減輕烏梁素海的富營養(yǎng)化程度，改善水質，進而維護好烏梁素海的水域生態(tài)系統(tǒng)。

（2）加強旅游區(qū)水環(huán)境管理，禁止游客向湖中隨意丟棄垃圾，及時清理湖中污物。

（3）實施挖深、疏浚工程。由于沉積于湖底的氮、磷等營養(yǎng)物質在生化作用下可以重返水體，促進藻類的繁殖生長，對水體環(huán)境造成二次破壞，因此實施挖深、疏浚工程可以去除含有氮、磷的湖底污泥，改善水體環(huán)境。

（4）采取養(yǎng)殖荷花、睡蓮、茭白、香蒲等水生植物的生物措施。水生植物具有水體產(chǎn)氧、氮循環(huán)、吸附沉積物、抑制浮游藻類繁殖、減輕水體富營養(yǎng)化、提高水體自凈能力等重要功能，同時能為水生動物、微生物提供棲息地和食物源，維持水岸帶物種多樣性，廣泛應用于湖泊富營養(yǎng)化治理[16]。何連生等[17]研究表明，利用荷花治理白洋淀水體富營養(yǎng)化取得了很好地成效，因此可在烏梁素海種植荷花、睡蓮、茭白、香蒲等水生植物，利用生物措施改善水質，美化環(huán)境。

2.4.2 烏梁素海水質研究方法

把復相關系數(shù)引入到水質因子R型聚類分析中，并且對合并的指標間的相關性進行檢驗，可以真實地反映新指標與多個舊指標之間的相關性，一定程度上提高了聚類的精確度。

常規(guī)的水質監(jiān)測通過在現(xiàn)場設置具有代表性的采樣點進行采樣，在實驗室進行水質分析，這種傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法費時、費力、周期長、不具有連續(xù)實時性，而利用遙感技術監(jiān)測湖泊水質具有成本低、速度快、實時動態(tài)等優(yōu)點[18]，在今后的水質研究中，可采用遙感技術監(jiān)測烏梁素海水體環(huán)境，以此獲得烏梁素海水質因子的時空分布特征，為烏梁素海水體環(huán)境的治理提供全面科學的理論依據(jù)。

3 結論

通過監(jiān)測烏梁素海2017年水質因子，運用復相關系數(shù)R型聚類分析法進行水質因子分類，共分為4類，水溫、透明度、溶解氧、總氮、總磷、葉綠素a聚成一類，反映湖水的富營養(yǎng)化程度;pH值自成一類，反映湖水的堿度;電導率、鹽度聚成一類，反映湖水含鹽量;COD自成一類，反映湖水的有機污染物含量。烏梁素海總體水質為V類，總氮、總磷對烏梁素海的水體環(huán)境影響較大，氮磷比表明磷是烏梁素海富營養(yǎng)化的限制性因素。嚴格管控周邊工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)田退水排放是改善烏梁素海水體環(huán)境的關鍵。

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【責任編輯呂艷梅】